仿生嗅觉传感技术的研究现状与进展

1、仿生嗅觉传感技术的研究现状与进展摘 要：嗅觉是生物了解外界气味信息的一个有效途径，但长期以来，由于人们 对生物嗅觉基础知识了解甚少，以致人们在漫长的探索中也未能很好地解决嗅觉 机理的根本问题，导致仿生嗅觉研究发展缓慢。近年来，随着生物化学、微电子 制造技术的发展和生物电子技术的发展， 仿生嗅觉传感技术的研究取得了新的进 展，出现了如半导体材料、导电聚合物、声表面波、SPR纳米Sn等新型的“仿 生嗅觉”传感元件。本文介绍当前仿生嗅觉的研究基础一生物嗅觉以及仿生嗅觉 传感技术研究现状和进展。关键词：气敏传感器阵列；阵列式交叉反应；模式识别The status and development of

2、bionic olfactory sensing technologyAbstract: The sense of smell is one of the most interesting of five human sensors, yet is understoodthe least for a long time. In recent years, with the advance of biochemistry, micro-electrics,technique of manufacturing and bioelectric, the bionic olfactory sensin

3、g technology hasmadea new progress. New olfactory sensorshave been developed such as semiconductormaterial, conductive polymer, acoustic surface wave, SPR(Surface Plasmon Resonance),and nanometer. This paper introduces current research of bionic olfactory and the status anddevelopment of bionic olfa

4、ctorysensing technology in detail.Key words: gas sensor array; bionic recognition.一、 引言人们知道，动物是凭借灵敏的鼻 子来闻出各种各样不同的气体，并做 出相应的生理反应的。我们的鼻腔内 壁上虽然只有大约1000个类似于气敏 传感器的气体接受细胞组，但它却能 辨别出种类达数以千计的不同气味（嗅觉一般的人能闻出4000多种气体,olfaction; array across reaction; pattern嗅觉灵敏的人可以闻出10000多种气 体）。最新的研究表明嗅觉的产生是由 多个嗅觉细胞组合起来共同对某种气

5、 味进行“探测”的结果。每一种不同的组合，感知一种不同的气味，由于组 合方式多种多样，因此动物能辨别大 量不同的气味。目前仿生嗅觉的研究 趋势是利用具有交叉式反应的气敏元 件组成一定规模的气敏传感器阵列来对不同的气体进行信息提取，然后将 这些大量复杂的数据交由计算机进行 模式判别处理。二、生物嗅觉的机理及仿生嗅觉系统长期以来，嗅觉一直是我们所有 的感觉中最为神秘的东西。我们还不 知道识别和记忆约1万种不同的气味 的基本原理。不过，2004年诺贝尔生 理学或医学奖得主美国的理查德.阿克 塞尔(RichardAxel)和琳达.巴克(Linda B. Buck)已经解决了该难题，他们一 系列的开创性

6、研究阐明了我们的嗅觉 系统是如何工作的2-3 0两位获奖者在 1991年合作发表了基础性的论文，宣 布他们发现了含约1,000个不同基因 的一个气味受体基因大家族(占我们 基因总数的3%),这些基因构成了相 同数量的嗅觉受体类型，而这些受体 位于嗅觉受体细胞内。每一种嗅觉受 体细胞只拥有一种类型的气味受4,每 一种受体能探测到有限数量的气味物 质。因此，嗅觉受体对某几种气味是 高度特异性的。尽管气味受体只有约 1000种，但它们可以产生大量组合， 从而形成大量的气味识别模式1,这 也是人类和动物能够辨别和记忆不同 气味的基础。嗅觉系统工作时，嗅觉受体细胞 会发出神经纤维信息到嗅小球，那里 大约

7、有2000多个确定的微区嗅小球5 嗅小球的数量大约是嗅觉受体细胞类 型数量的两倍之多。嗅小球是很“专 业化”的，携带同种受体的受体细胞 聚集其神经纤维进入相同的嗅小球， 即来自具有相同受体的细胞的信息会 聚到同一嗅小球。随后嗅小球激活僧 帽细胞的神经细胞。每种僧帽细胞只 能由一个嗅小球激活，信息流的“特 异性”也就因而保留。僧帽细胞然后 将信号传输到大脑其他地方。结果， 来自多种气味受体的信息整合成每种 气味所具有的“特征性的模式”，使得 我们可以自由地感受到识别的气味。图1是人类的嗅觉系统和仿生嗅 觉系统组成的比较。我们可以直观地 从结构上将仿生嗅觉系统的传感器阵 列，数据采集器，模式识别系

8、统分别 与生物嗅觉系统的嗅觉细胞，嗅球神 经网络，大脑神经中枢相类比，更重 要的是在功能上，仿生系统具有生物 嗅觉系统的两个特点：一是对多种气 体或气味敏感；二是通过必要的处理， 能够识别所闻到的气体或气味。主时下更墓况留I人奘嗅情系洸削仿中嗅证需统悯SL龙比轮三、仿生嗅觉传感器的研究现状和进展仿生嗅觉系统的关键技术问题之 一是开发高灵敏度阵列气味传感器， 经过过去20多年的发展，研究人员已 经在实践中发现一些材料具有对气味 非常敏感的功能。这些不同材料制作 的嗅觉传感器因不同的结构、原理、 特性，具检测气体的种类和灵敏度也 不尽相同。仿生嗅觉系统提取气味信息是利 用由单个气体敏感元件组成的传

9、感器 阵列来实现的。它使用了多个并列的 对每种气体具有轻微不同响应的传感 器构成阵列，阵列的响应是所有气体 成份的全体反映，功能上与生物嗅觉 系统中大量嗅觉感受体细胞相似。不 同嗅觉传感器对不同气味物质的响应 是不同的，组成传感器阵列的每个敏感 元件对同一种气味物质的响应也是不 相同的，它们具有的交叉灵敏度，这一 点非常重要，它是模仿生物嗅觉系统 的基础。根据不同的工作原理和材料，目 前仿生嗅觉传感器主要分成六类：导 电型传感器，压电型传感器，电容-电 荷耦合型传感器，光学嗅觉传感器， 基于图谱方法的传感器和新型的纳米 气敏传感器。（1） 导电型嗅觉传感器导电型嗅觉传感器分成两种：一 种是以金

10、属氧化物为材料制成，另一 种是以导电聚合物为材料制成。前者 主要是把二氧化锡（也可以是锌、钛、 鸨等的氧化物）及少量氯化钳研细、 成型，在高温下烧结成多孔性的半导 体陶瓷小片，把它装在一个小棍的头 部构成探头或安放在绝缘片上形成薄 膜，就具有很强的吸附气体的性能。 这个半导体陶瓷探头表面吸附有氧的 分子，把传感器加热到200c400c左 右6。当易燃易爆气体与探头上吸附的 氧结合时，半导体表面的氧减少了， 电阻值就会发生变化，从而利用后续 电路则可检测到气体的变化。这种气 敏传感器可应用于识别苯、一氧化碳、 氢气、酒精、油漆、氨等几十种气味。图2是一个导电型金属氧化物传 感器的基本结构示意图。

11、常用的活性 材料是金属氧化物或导电型聚合物。 电极可以是铝、铝或金，而基底材料可以是硅、玻璃和塑料。这类传感器的 灵敏度约在（5500） X 10-6。第二种导电型传感器是导电型聚 合物。常用的导电性聚合物有以下几 种：聚叱咯、嚷吩、呷咪和吠喃等一类 家族6。当其探测到挥发性有机化合物 时，化合物与导电聚合物的敏感膜发 生反应，致使聚合物的导电性发生改 变，从而可通过后续电路对其变化进行 检测。导电型聚合物传感器具有高灵 敏度、高选择性，可在常温和低温下 使用等优点。同时许多导电聚合物便 于修饰，可按功能基团所需进行分子 设计和合成。（2） 压电型传感器由压电材料的压电效应和逆压电 效应可知，

12、在压电物质石英压电晶体 上作用一个机械压力时便产生一定幅 值的电压，相反，当有一定幅值的交 变电压作用在压电材料上时，它便产 生一定的变形。当一定电压的频率和 压电晶体的固有频率相同时，则可构 成稳定的振荡电路。基于晶体和电极 的几何学原理，它可构建成一定的振 动模式。压电型嗅觉传感器也有两种： 石英晶体微平衡型（quartz crystal mi-crobalance QCM）和表面 声波型6 （surface acoustic waveSAW）。如图3所示7,石英晶体微天平 （QCM）嗅觉传感器主要由一个涂有聚 合物涂料的共振盘（直径仅为几毫米） 组成，盘的两面附着金箔电极，电极 之间有铅

13、丝相连接。实际使用时与共 振电路相连，在晶体板上施加一共振 电场时就产生了声波。石英晶体的厚 度决定了基频谐振的波长，厚度是这 类器件中频率变化的决定因素，当QCM表面有物质变化时（增加或减少） 都可导致器件厚度的变化，进而引起 共振频率的变化。QCM型嗅觉传感器 可以检测石英晶体表面附着质量的微 小变化，敏感层吸附气体后，其质量 增加使得晶体振动频率下降，通过此 频率可检测气体。石英晶体微天平传 感器的灵敏度是由镀在晶体表面的聚表面声波（SAW）接收器是用有互 相交叉电极的压电材料（氧化锌和花 酸盐）较厚的板极制成，用以激励表 面波的振荡。表面声波（SAW）装置可通 过在互相交叉电极两端外加

14、交流电压 激励来使压电晶体表层产生变形。声 波的运动是在表面进行的，它穿透一 定的厚度的晶体当中。SAW传感器的核心部件是SAW振荡器，有两种不同 的结构，这就是延迟线和共鸣器结构， 如图4所示。交或惟329怏冠图4 SAW振-藩髀荒型(3)SPR光学嗅觉传感器表面等离子体子共振(Surface Plasmon ResonanceSPR)!种物理光 学现象，它利用光在玻璃与金属薄膜 界面处发生全内反射时渗透到金属薄 膜内的消失波，引发金属中的自由电 子产生表面等离子体子，在入射角或 波长为某一适当值的条件下，表面等 离子体子与消失波的频率和波数相等， 二者将发生共振，入射光被吸收，使 反射光能

15、量急剧下降，在反射光谱上 出现反射强度最低值，此即为共振峰。 紧靠在金属薄膜表面的介质折射率不 同时，共振峰位置(共振角或共振波长) 将不同。SPR光学嗅觉传感器是依此 振角或共振波长将改变，通过测量和 分析红外吸收峰来检测气体。有报告 表明能用SPR的角度调制测量发现比 如氨、甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、4-甲 基-2戊酮和丙酸等很多有毒的气体6。如图5是棱镜耦合式 SPR光学 嗅觉传感器示意图，使用棱镜和金属 薄片，高传导性的金属层放置于棱镜 底层，其机理是采用角度调制进行气 体检测。左边入射的是波长为 660纳 米的激光被当作为光源去激励 SPR光 学嗅觉传感器，并以一定角度通过棱 镜射向铺

16、有甲基丙烯酸盐、聚酯或丙 烯等对气体敏感的合成物质的金属薄 膜片，由于待检测的不同气体和气体 敏感物质发生反应，这时不同强度和 角度的SPR反射光谱对应不同的气体。 测量反射光是由个人计算机和CCD原理工作，当气体的种类发生改变， 不同种类气体的红外吸收峰不同，共日本电气公司教授S.Ii Jima发现照相机完成的。反射度最小的角称为 谐振角，它是在能量的联结带上的光 和表面的电浆子波之间发生。反射光 能利用CCD照相机观察到。(4)纳米气敏传感器碳纳米管，具有优异的表面化学性能 和良好的电学性能，是制作气敏传感 器的理想材料。当前，J. Kong等人 已成功地研究了单根单壁半导体碳纳 米管的气

17、敏特性，为一维碳纳米管作 为敏感材料构成气敏传感器的研究打 开了大门。现已成功开发出的纳米嗅 觉气敏传感器有：单壁碳纳米管嗅觉传 感器网、多壁碳纳米管嗅觉传感器9、 多壁碳纳米管阵列嗅觉传感器10。美 国 PulichelM.Ajayan 11教授与 Nikhil Koratkar副教授的联合研究小组，使用 碳纳米管阵列成功开发出了多壁碳纳 米管阵列嗅觉传感器。该传感器能够 非常灵敏地定量及定性分析大气中的 各种气体，具结构简洁，如图6所示。 利用嗅觉气敏传感器测定周围的气体 成分时，以M W N T （多壁碳纳米管） 端为阳极（+）,铝膜端为阴极（-）,施 加直流电压。在MWNT顶端，很低的

18、 电压就会产生强电场，从而在周围离 子化气体中发生介质击穿（DielectricBreakdown）现象。发生介 质击穿时的电压因气体种类的不同而 明显不同，从而能对气味进行定性分 析，可分析的气体种类范围很广，甚 至还能包括氮气（Ar）和氯气（He） 等惰性气体。另外，介质击穿电压尽 管不取决于气体浓度，所产生的电流与浓度对数呈正比，这一结果表明气 体能够被定量分析。（5）其他类型的嗅觉传感器目前研究开发的嗅觉传感器除上 述介绍以外，还有以下几种类型。金 属氧化硅场效半导体（metaloxide silicon field effect transistor MOSFET） 型嗅觉传感器，其

19、工作原理是：当挥 发性有机化合物（VolatileOrganic Compounds VOCs）和金属氧化剂接触 时，在金属内会发生反应，使其电性质 发生变化。一个普合有n级的小区域， 并和带有标记源和排导口的金属相接 触。采用不同金属催化剂的种类和厚 度，可使其灵敏度和选择性达到最优。气相 色谱法（gas chromatographyGC） 。GC是利用欲分离的各组份在 体系中两相白分配差异（即分配系数或 吸附等温线不同）来工作的，当两相做 相对运动时，这些组份随着移动可反 复进行多次的分配，组份的分配系数 虽然只有微小的差异，在移动速度上 却有颇大的差别，于是这些组份得到 分离。采用这一技

20、术，可测定物质的 一些物理化学性质。质谱法(mass spectrometry MS)是 利用在电场和磁场中运动的气体离子 (带电荷的原子，分子或分子碎片)， 按它们的质量电荷比分离后进行检测 的一种方法。测出了离子的准确质量， 就可以确定离子的化合物组成。四、结束语嗅觉传感器作为机器嗅觉系统进 行信号提取的第一环节，是机器嗅觉 系统进行气体识别的根本基础，以上 的各种传感器有的已经商业化，有的 仍在试验研究阶段，但随着它们的研 制成功，仿生嗅觉系统的性能也将会 得到一个质的提升。参考文献：1 BUCK LB.Thesearch for odorantreceptorsJ. Cell, Vol

21、ume116, Supplement 2, 23 January 2004: S117-S120.2 BUCK LB, AXEL R.A novel multigene family may encodeodorantreceptors:a molecular basis for odor recognitionJ.Cell,1991,65(1):175-187 .3 The nobel assembly atKarolinskaInstitutetEB/OL.PressRelease: The 2004 Nobel Prize in PhysiologyorMedicine.http:/no

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